Kraft-Wärme-Kopplung – Chancen und Perspektiven

16.03.2018

Neuen Modellen der Strom- und Wärmeerzeugung gehört die Zukunft

Nachhaltiges Handeln ist heute mehr denn je geboten, da alle natürlichen Ressourcen immer knapper werden. Am deutlichsten veranschaulicht das die Endlichkeit der fossilen Energieträger, deren weltweiter Verbrauch sich seit 1970 verdoppelt hat.

Bis 2030 wird er sich nach einer Prognose der International Energy Agency (IEA, Weltenergieagentur) nahezu verdreifachen und aufgrund der damit verbundenen Emissionen gravierende Auswirkungen auf das Klima haben. Die Gestaltung einer umwelt- und ressourcenschonenden sowie gleichzeitig wirtschaftlichen Energieversorgung für die Zukunft ist deshalb wichtiger denn je.

 

1. Weltklimakonferenz in Paris setzt 1,5 °C-Ziel

Gemessen an den Herausforderungen des Klimaschutzes und einer nachhaltigen Energieversorgung ist die Politik auf globaler Ebene den Erwartungen bisher nur zögerlich gerecht geworden. 20 Jahre nach der ersten Welt-Nachhaltigkeitskonferenz hat sich die weltweite Staatengemeinschaft zwar zum Aufbau einer „Green Economy“ bekannt, konkrete Ziele wurden aber auch bei der Nachfolgekonferenz „Rio 20+“ nicht vereinbart. Gleiches gilt für das Kyoto-Protokoll. Das hat sich mit der Weltklimakonferenz Ende 2015 in Paris grundlegend geändert. Am Abend des 12. Dezember 2015 wurde von der Versammlung ein Klimaabkommen beschlossen, das die Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2 °C, möglichst 1,5 °C, im Vergleich zum vorindustriellen Niveau vorsieht.

Um das gesteckte 1,5 °-Ziel erreichen zu können, müssen die Treibhausgasemissionen weltweit zwischen 2045 und 2060 auf Null zurückgefahren, und anschließend ein Teil des zuvor emittierten Kohlendioxids (CO2) wieder aus der Erdatmosphäre entfernt werden. Erreichbar ist das nur mit einer sehr konsequenten und sofort begonnenen Klimaschutzpolitik, da sich das Zeitfenster, in dem dies noch realisierbar ist, rasch schließt. Soll das Ziel ohne Einsatz von Techniken zur Abscheidung und Speicherung von CO2 erreicht werden, muss die Verbrennung fossiler Energieträger bis etwa 2040 komplett eingestellt und bis dahin die Energieversorgung – Strom, Wärme und Verkehr – vollständig auf erneuerbare Energien umgestellt werden. Die Staatengemeinde geht den eingeschlagenen Weg entschlossen weiter wie bei den Folgegipfeln in Marrakesch 2016 und Bonn 2017 deutlich wurde – auch angesichts der Entscheidung des amerikanischen Präsidenten Donald Trump, den Vertrag aufzukündigen.

Bild 1: Bereits Anfang des 18. Jahrhunderts wurde die Idee der Nachhaltigkeit geboren. Es sollte immer nur so viel Wald einschlagen werden, wie wieder nachwächst.

 

Allerdings ist die viel beschworene Energiewende hin zu einer hundertprozentigen Versorgung mit erneuerbaren Energien nicht so ohne weiteres möglich. In Deutschland tragen die fossilen Energieträger zu fast 80 Prozent zur Energieversorgung bei (Bild 2). Auch langfristig reicht das theoretische Potenzial der Erneuerbaren nicht aus, um den Bedarf in heutiger Größenordnung zu decken. Um den verbleibenden Rest abzudecken, erfordert es deshalb einen ausgewogenen Mix aller verfügbaren Ressourcen. Das reicht vom effizienten Einsatz fossiler Energie über die Nutzung von Solarenergie, Wind, Erdwärme bis hin zur Energieerzeugung aus Biomasse.

Bild 2: Energiemix in Deutschland über alle Sektoren (Wärme, Verkehr, Strom, Industrie).

 

2. Energiewende – Herausforderung und Chance

Bereits vor dem Pariser Klimaabkommen, im Jahr 2008, hat sich die Europäische Union zu Klimaschutz und Ressourcenschonung ambitionierte Ziele vorgenommen. Danach soll der Energieverbrauch bis 2030 um 27 Prozent verringert, der Anteil erneuerbarer Energien auf 27 Prozent gesteigert und die CO2-Emissionen gegenüber 1990 um 40 Prozent gesenkt werden. Um diese Ziele zu erreichen, werden die einzelnen Länder enorme Kraftanstrengungen leisten müssen.

Deutschland hat dazu konkrete Maßnahmen erarbeitet, die nicht zuletzt auch in der Verbesserungen der politischen Rahmenbedingungen bestehen: den Nationalen Aktionsplan Energieeffizienz (NAPE) und das Aktionsprogramm Klimaschutz. Als für den Wärmemarkt wichtigste Maßnahmen enthält der NAPE:

• den Ausbau der Förderung durch KfW und Marktanreizprogramm und
• das Effizienz-Labeling von Bestandsanlagen.

Das Aktionsprogramm Klimaschutz adressiert die CO2-Minderungspotenziale vor allem in der Energiewirtschaft, aber auch in der Industrie, den Haushalten und im Verkehr.

Die Umsetzung der energie- und klimapolitischen Ziele folgt in Deutschland der Doppelstrategie aus Steigerung der Energieeffizienz und Substitution fossiler durch erneuerbarer Energie. Zusätzlich sind ein CO2-neutraler Gebäudebestand bis 2050, der Ausstieg aus der Kernenergie bis 2022 und die Verdoppelung des Anteils der Kraft-Wärme-Kopplung an der Stromerzeugung von 12 Prozent (Stand 2008) auf 25 Prozent bis 2020 beschlossen. Außerdem soll auch die Stromerzeugung in Kohlekraftwerken aufgrund hoher Emissionen reduziert werden. Zur Substitution stillgelegter Kernkraftwerke und konventioneller Kohlekraftwerke werden Windparks und Photovoltaikanlagen in großer Zahl errichtet.

 

3. Wärmemarkt spielt wichtige Rolle bei der Energiewende

Der Schlüssel zum Erfolg der Energiewende liegt im Wärmemarkt. Mit einem Anteil von nahezu 40 Prozent am Gesamtenergieverbrauch in Deutschland ist er der bedeutendste Sektor. Die Bereiche Verkehr (28 %) und Elektrizität (21 %) folgen mit großem Abstand (Bild 3).

Bild 3: Energieverbrauch in Deutschland nach Anwendungsbereichen (Quelle: Verband der dt. Elektrizitätswirtschaft (VDEW)/ Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien (AGEE)).

 

Von den 21 Millionen Heizungsanlagen in Deutschland sind mindestens zwei Drittel modernisierungsbedürftig. Im Durchschnitt werden Heizungen erst nach 25 Jahren ausgetauscht. Nach Berechnungen von Experten werden dadurch mindestens 30 Prozent mehr Energie verbraucht als notwendig. Das entspricht 13 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs und liegt damit deutlich über dem Anteil der Atomkraft am Energiemix (7,5 Prozent).

Der Wärmemarkt bietet jedoch nicht nur das größte Potenzial für Energieeinsparungen, er kann darüber hinaus durch dezentral installierte, stromerzeugende Heizungen eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Stromversorgung spielen.

 

4. Verknüpfung von Strom- und Wärmemarkt

Schon heute kann an wind- und sonnenreichen Tagen in Deutschland der gesamte Spitzenbedarf an Strom erneuerbar abgedeckt werden. Allerdings wird Strom nicht immer dort erzeugt, wo er aktuell benötigt wird, und es besteht auch nicht immer Spitzenbedarf. Auf der anderen Seite gibt es Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht, aber trotzdem ein hoher Strombedarf vorhanden ist. Bei Engpässen in der volatilen Stromerzeugung können Systeme der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) einen wichtigen Beitrag zur Deckung des Bedarfs leisten. Weil dies dezentral geschieht und der Strom am Ort des Verbrauchs erzeugt wird, werden zudem die Stromnetze entlastet. Darüber hinaus bieten innovative Konzepte wie Power-to-Heat und Power-to-Gas neue Möglichkeiten der Speicherung bzw. Nutzung regenerativ erzeugten Stroms.

 

4.1 Lösungen zur Kraft-Wärme-Kopplung

Das Realisieren einer dezentralen Energieversorgung mit kleinen Einheiten, die leicht und schnell zu regeln sind, ist eine Voraussetzung zum Gelingen der Energiewende. Bei der zentralen Stromerzeugung in Großkraftwerken gehen ohne weitere Nutzung der entstehenden Wärme bis zu zwei Drittel der eingesetzten Ausgangsenergie verloren. Eine wesentlich bessere Nutzung der eingesetzten Primärenergie lässt sich erreichen, wenn Strom und Wärme direkt dort erzeugt werden, wo diese auch benötigt werden. Dabei sollte das Hauptaugenmerk auf die Nutzung der bei der Stromproduktion entstehenden Wärme gerichtet sein.

 

4.1.1 Gasbetriebene Blockheizkraftwerke

Längst etabliert ist die Kraft-Wärme-Kopplung in großen Einheiten, ganz gleich ob Heizkraftwerke zur Fernwärmeerzeugung, Krankenhäuser, Hotels oder Verwaltungsgebäude (Bild 4). Ein mit Erd- oder Biogas betriebener Motor treibt dazu einen Generator zur Stromerzeugung an. Der elektrische Strom wird entweder vom Betreiber selbst genutzt oder gegen eine entsprechende Vergütung in das öffentliche Netz eingespeist. Die Abwärme des Motors sowie die Wärme aus dem Abgas wird über Wärmetauscher dem Heizungssystem zur Verfügung gestellt.

Bild 4: Fünf Vitobloc 200 Blockheizkraftwerke mit einer elektrischen Leistung von insgesamt 1,2 Megawatt im Verwaltungsgebäude der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung.

 

Diese Blockheizkraftwerke (BHKW) erzielen durch ihre hohe Brennstoffausnutzung Gesamtwirkungsgrade von bis zu 95 Prozent. Nach Angaben der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch (ASUE) reduzieren BHKW den Energieverbrauch um bis zu 36 Prozent und die CO₂-Emissionen um bis zu 58 Prozent gegenüber der herkömmlichen getrennten Strom- und Wärmeerzeugung (Strom aus zentralem Kraftwerk, Wärme aus der Heizzentrale bzw. dem Heizungskeller).

Die von Viessmann angebotenen BHKW sind für den gewerblichen und kommunalen Einsatz konzipiert. Dazu bieten sie elektrische Leistungen von 6 bis 530 Kilowatt und thermischen Leistungen von 15 bis 660 Kilowatt. Sie werden als betriebsbereite Kompaktmodule mit speziell für den Stationärbetrieb ausgelegten 3-, 4-, 6- und 12-Zylinder-Gasmotoren ausgeliefert, die jeweils einen Synchrongenerator antreiben. Besonders lange Wartungsintervalle sorgen für niedrige Betriebskosten. Alle BHKW von Viessmann verfügen zudem über das Einheitenzertifikat nach BDEW-Richtlinie (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft). Es gewährleistet, dass die Geräte den Anforderungen der Stromnetzbetreiber entsprechen und an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden dürfen.

 

4.1.2 Mikro-KWK-Systeme für Ein- und Zweifamilienhäuser

Mit Brennstoffzellen-Heizsystemen zur Strom- und Wärmeerzeugung hat die Kraft-Wärme-Kopplung auch in Ein- und Zweifamilienhäusern Einzug gehalten. Dieser Anwendungsbereich bietet mit etwa 14 Millionen Gebäuden in Deutschland ein hohes Potenzial für den Einsatz dieser Technologie. Die Häuser erhalten mit diesen Geräten eine Energiezentrale, die nicht nur die gesamte benötigte Raumwärme und das Warmwasser bereitstellen, sondern auch einen Großteil des Strombedarfs im Haushalt decken. Die Bewohner machen sich damit unabhängiger vom öffentlichen Netz und steigenden Strompreisen. Und auch die Energie für elektrisch betriebene Fahrzeuge können die Betreiber damit selbst erzeugen.

Brennstoffzellen-Systeme erzeugen aus dem im Erdgas vorhandenen Wasserstoff durch einen elektrochemischen Prozess Strom, Wärme und Wasser. Eine Verbrennung findet nicht statt, der Betrieb der Geräte ist nahezu geräuschlos. Als erster Hersteller hat Viessmann im Frühjahr 2014 ein in Serie gefertigtes Brennstoffzellen-Heizgerät in den Markt eingeführt (Bild 5).

Bild 5: Für eine hohes Maß an Unabhängigkeit: Brennstoffzellen-Heizgeräte wie das abgebildete Vitovalor 300-P von Viessmann liefern neben Wärme zugleich auch Strom für die Hausenergieversorgung.

 

Das Gerät besteht aus einer PEM-Brennstoffzelle (750 W_el, 1 kW_th) und einem Gas-Brennwert-Spitzenlastkessel (bis 19 kW, Trinkwassererwärmung bis 30 kW) mit integrierten Trinkwasser- und Heizwasser-Pufferspeichern. Die PEM-Brennstoffzelle von der japanischen Panasonic Corporation ist für eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren konzipiert und in Japan seit nunmehr acht Jahren erfolgreich im Einsatz. Mittlerweile wurden dort mehr als 80.000 Geräte installiert. Bevorzugtes Einsatzfeld des Brennstoffzellen-Heizgeräts sind Neubauten und energetisch sanierte Bestandsgebäude mit einem Wärmebedarf von mehr als 8.000 kWh/a. Bauherren erhalten für die Anschaffung des Brennstoffzellen-Heizgeräts einen staatlichen Zuschuss von 9.300 Euro. Damit liegen die kosten etwa in gleicher Höhe wie bei Wärmepumpen.

 

4.1.3 Energiemanagementsysteme für Strom und Wärme

Attraktiv ist die Kombination der BHKW und Mikro-KWK-Systeme mit Stromspeichern und Photovoltaikanlagen. Da im Sommer in der Regel weniger Wärme benötigt wird, produzieren KWK-Systeme in dieser Zeit auch weniger Strom. Um auch dann möglichst unabhängig vom öffentlichen Stromnetz zu bleiben, ist die Einbindung von Photovoltaikanlagen ideal. Der Stromspeicherbevorratet den Strom aus BHKW bzw. Mikro-KWK-Gerät und der Photovoltaikanlage, der aktuell nicht benötigt wird, für die Deckung späterer Strom-Verbrauchsspitzen. So sind zum Beispiel mit den heute verfügbaren Technologien in Ein- und Zweifamilienhäusern bis zu 95 Prozent Autarkie von der öffentlichen Stromversorgung möglich. Viessmann bietet als einziger Hersteller solche Lösungen für Ein- und Zweifamilienhäuser mit abgestimmten Komponenten aus einer Hand an (Bild 6).

Bild 6: Kombinationen mit Photovoltaikanlagen und Stromspeichern ermöglichen die nahezu autarke Stromversorgung und auch die Bereitstellung von Strom für elektrische Fahrzeuge. Im Bild das Brennstoffzellen-Heizgerät Vitovalor 300-P mit nebenstehendem Stromspeicher Vitocharge (links).

 

4.1.4 Virtuelle Kraftwerke und Power-to-Heat

Dezentral installierte BHKW und Mikro-KWK-Systeme können in Zukunft einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Volatilität des Stromangebots aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Bei einer drohenden Unterversorgung würde dann je nach Bedarf eine variable Anzahl dieser Geräte zu so genannten virtuellen Kraftwerken automatisch zusammengefasst, um Strom in das öffentliche Netz einzuspeisen. Die Anlagenbetreiber könnten dafür besonders attraktive Bonuszahlungen erhalten.

Bei Stromüberschuss können zudem Wärmepumpen einen Beitrag zur kurzfristigen Speicherung der Energie leisten. Sie wandeln den Überschussstrom in Wärme um, die sich in Pufferspeichern und Speicher-Wassererwärmern bevorraten lässt, und so zu einem späteren Zeitpunkt zur Gebäudebeheizung und Trinkwassererwärmung zur Verfügung steht. Dieses als Power-to-Heat bezeichnete Konzept setzt flexible Strompreise voraus, die sich nach Angebot und Nachfrage richten.

Wichtig für gut funktionierende virtuelle Kraftwerke und Power-to-Heat-Lösungen sind eine intelligente Steuerung sowie Kommunikation zwischen Stromerzeugern und -verbrauchern sowie der Leitstelle (Bild 7). Durch ein koordiniertes Einspeiseverhalten lassen sich zusätzliche Vorteile erzielen: Beispielsweise kann ein BHKW den Strom vorwiegend zur Netzlastspitze produzieren und die zeitweilig überschüssige Wärme in einem Heizwasser-Pufferspeicher bevorraten.

Bild 7 Dezentral installierte KWK-Systeme als virtuelle Kraftwerke und Power-to-Heat-Lösungen mit Wärmepumpen können im Wechselspiel die Volatilität des Stromangebots aus erneuerbaren Energien ausgleichen.

 

4.2 Speicherung von Überschussstrom durch Power-to-Gas

Ein Konzept mit großem Potenzial, gerade auch für die langfristige Speicherung und Übertragung von Energie über weite Entfernungen, ist Power-to-Gas. Dabei macht man sich zu Nutze, dass das deutsche Erdgasnetz nahezu flächendeckend weite Teile des Landes mit Erdgas versorgen kann und zudem in der Lage ist, große Energiemengen zu speichern. Es kann mit seiner Gesamtlänge von rund 530.000 Kilometern sowie den daran angeschlossenen über 40 Untertagespeichern soviel Gas aufnehmen, wie Deutschland für drei Monate benötigt. Im Vergleich dazu hat das Stromnetz keine nennenswerte Speicherkapazität – würde die Stromproduktion komplett eingestellt, gingen nach weniger als einer Stunde alle Lichter aus.

Power-to-Gas nutzt überschüssigen Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen für die Elektrolyse von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff. In einem zweiten Schritt kann daraus durch den Zusatz von CO₂ synthetisches Methan erzeugt und in die Erdgasnetze eingespeist werden. Das Erdgasnetzt kann so indirekt als mächtiger Pufferspeicher für regenerativ erzeugten Strom dienen. Dies dient der politisch gewollten Sektorkopplung von Strom, Wärme und Mobilität: Unabhängig vom Ort der Erzeugung kann das Methan zur Stromproduktion, zur Wärmeversorgung oder in Erdgasautos als klimafreundlicher Kraftstoff verwendet werden (Bild 8).

Bild 8: Das Power-to-Gas-Konzept ist ein Eckpfeiler der Sektorkopplung, das im Rahmen der Energiewende zum Ausgleich der Volatilität von regenerativ erzeugten Strom zwingend erforderlich wird.

 

Das Viessmann Gruppenunternehmen MicrobEnergy hat zur Methanerzeugung ein Verfahren entwickelt, das sich durch hohe Flexibilität auszeichnet und damit ideal geeignet ist, fluktuierende Energie aufzunehmen. Dabei werden Wasserstoff und das Kohlendioxid aus einer Biogasanlage mit Hilfe von Mikroorganismen in Methan umgewandelt. So sind keine hohen Drücke und Temperaturen erforderlich, wie bei herkömmlichen Verfahren, die das Methan auf chemisch-katalytischem Weg erzeugen. Die weltweit erste Anlage dieser Art zur Erzeugung synthetischen Methans im industriellen Maßstab wurde Anfang 2015 am Viessmann Unternehmensstammsitz in Allendorf (Eder) in Betrieb genommen. Außerdem ist Viessmann eine Kooperation mit dem Automobilhersteller Audi eingegangen und vermarktet das Gas als Kraftstoff für Erdgasautos.

 

5. Resümee

In Deutschland ist die Energiewende unwiderruflich eingeleitet. Die zentrale Voraussetzung für ihr Gelingen ist, dass alle Effizienzpotenziale ausgeschöpft und die erneuerbaren Energien ausgebaut werden. Dabei spielt der Wärmemarkt eine wichtige Rolle, denn mit beinahe 40 Prozent Anteil am Gesamtenergieverbrauch und rund 15 Millionen modernisierungsbedürftigen Heizungen bietet er das größte Potenzial für Energieeinsparungen und Emissionsminderung. Darüber hinaus hält er für die politisch gewollte Sektorkopplung zwischen Wärme, Strom und Mobilität zahlreiche Lösungen bereit: Blockheizkraftwerke und Mikro-KWK-Systeme für die Dezentralisierung der Stromversorgung. Durch intelligente Vernetzung zu virtuellen Kraftwerken können sie Engpässe der volatilen Stromerzeugung ausgleichen und so zur Sicherung der Stromversorgung beitragen. Stromüberschüsse können von Wärmepumpen in Wärme umgewandelt und so für die Wohnraumbeheizung und Warmwasserbereitung nutzbar gemacht werden (Power-to-Heat). Ein Konzept mit enormen Potenzial für die Speicherung und Übertragung von Energie ist Power-to-Gas. Damit kann Überschussstrom aus erneuerbaren Energien indirekt langfristig gespeichert und in Form von synthetischen Methan unterschiedlichen Anwendungen den verschiedenen Sektoren zur Verfügung gestellt werden. Die Heizungsbranche hält bereits heute die Lösungen bereit, die zum Erreichen der energie- und klimapolitischen Ziele benötigt werden.